這個(gè)藝術(shù)家的插畫描述了人類目前為止探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞。它的高增長(zhǎng)速度令天文學(xué)家們百思不得其解。

天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了迄今為止觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)的黑洞-而且它在年輕的時(shí)候就已經(jīng)非常驚人了。

這顆超大質(zhì)量的黑洞樣本相當(dāng)于8億個(gè)太陽的重量，位于一個(gè)產(chǎn)生強(qiáng)大輻射的年輕星系的中心。這種類型的星系被稱為類星體，它們照亮了早期的宇宙，它們的極端的活動(dòng)是由它們核心中的黑洞發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。但這個(gè)黑洞比這個(gè)年輕的星系要大得多。

丹尼爾斯特恩在美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一份聲明中說“大爆炸后，這個(gè)黑洞的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們預(yù)期的6.9億年，這挑戰(zhàn)了我們關(guān)于黑洞如何形成的理論”。斯特恩是發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究的合作者。

宇宙誕生和黑暗時(shí)代

讓我們進(jìn)一步回到過去，來充分了解這一發(fā)現(xiàn)是多大的突破。

在大爆炸之后，迅速膨脹的宇宙中充滿了一種叫做等離子體的電離氣體熱湯。隨著時(shí)間的推移和宇宙的冷卻，這種等離子體凝聚成中性原子（主要是氫，其中一個(gè)質(zhì)子與電子結(jié)合）。直到這一刻，宇宙中沒有恒星，也沒有星系;根本沒有足夠的時(shí)間讓東西在重力下聚集起來創(chuàng)造星星。這個(gè)時(shí)期被恰如其分地命名為“黑暗時(shí)代”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)唯一存在的輻射是大爆炸本身的背景余輝，隨著宇宙膨脹，它迅速變?yōu)榧t移。當(dāng)膨脹的宇宙將光從短波長(zhǎng)延伸到長(zhǎng)波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生紅移。

然而，隨著第一顆恒星被激發(fā)而存在并被它們的相互引力所束縛以形成第一個(gè)星系，宇宙經(jīng)歷了巨大的變化。

這些第一個(gè)星系產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射，分解中性氫氣，從質(zhì)子中剝離電子。宇宙再次成為等離子態(tài)，稱為“再電離”。通常，這種高度電離的氣體對(duì)輻射是不透明的，但由于宇宙膨脹和冷卻，等離子體如此分散，以至于來自星系的光線通過星系際空間大部分都是暢通無阻的，就好像宇宙飛過星光開關(guān)一樣。

從宇宙黎明開始出現(xiàn)

那么，這個(gè)超大質(zhì)量的黑洞和這種戲劇性的宇宙變換有什么關(guān)系呢？

對(duì)類星體的觀測(cè)稱為ULAS J1342+0928，已經(jīng)證實(shí)它被中性氫包圍。存在于這個(gè)嬰兒星系周圍的中性氫意味著它剛剛從這個(gè)再電離時(shí)期出現(xiàn)，使它成為我們能夠觀測(cè)到的最早的星系，因?yàn)樗堑谝慌纬傻男窍等骸?/p>

一種藝術(shù)的概念圖，中間為正在形成的超大質(zhì)量黑洞

那篇論文的共同作者、在亞利桑那大學(xué)工作的范曉輝說到：“新的類星體本身就是最早的星系之一，然而它已經(jīng)擁有了一個(gè)巨大的黑洞，就像現(xiàn)今宇宙中的其他星球一樣巨大！”

位于大麥哲倫云前方的黑洞的模擬視圖。注意引力透鏡效應(yīng)，它產(chǎn)生了兩個(gè)放大但高度畸變的大麥哲倫云圖像。在頂部，銀河系圓盤被扭曲成了弧形。

檢測(cè)這個(gè)對(duì)象并非易事。來自J1342+0928的光已經(jīng)花了超過130億年才到達(dá)我們這里，所以它非常微弱而且產(chǎn)生很大的紅移。類星體能產(chǎn)生強(qiáng)烈的短波輻射。但是在經(jīng)過130億光年之后，輻射已經(jīng)被拉伸到光譜的紅外部分，因此只有最靈敏的紅外測(cè)量望遠(yuǎn)鏡才能檢測(cè)到它。

利用強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡的國際三聯(lián)體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，研究人員能夠在宇宙的最遠(yuǎn)地方尋找類星體候選者。一旦確定，其他的觀測(cè)站就會(huì)一塊來觀察這個(gè)奇怪的對(duì)象。

例如，夏威夷的雙子座天文臺(tái)通過探測(cè)紅外光譜來測(cè)量黑洞的活動(dòng)，從而幫助確定黑洞的巨大質(zhì)量。 類星體在早期宇宙中是特別強(qiáng)大的輻射發(fā)生器，因?yàn)樗鼈兒诵闹械某筚|(zhì)量黑洞可以獲得大量的物質(zhì)。 當(dāng)他們迅速消耗這個(gè)物質(zhì)時(shí)，黑洞形成了一個(gè)巨大的、熱的并且散發(fā)著輻射的吸積盤，創(chuàng)造了類星體的標(biāo)志性光，可以在數(shù)十億光年內(nèi)看到。

下一步是搜索更多的類星體，如J1342 + 0928，研究人員估計(jì)在整個(gè)天空中大概有20到100個(gè)類星體。

類星體是準(zhǔn)恒星射電源的縮寫。 如圖所示，3C 273，是天文學(xué)家有史以來第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的，也是最亮的。

ESA/HUBBLE & NASA

它是如何變得如此龐大的？

現(xiàn)在我們知道J1342 + 0928是一個(gè)8億太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞的家園，最大的問題是，它是如何變得如此龐大？

懸在現(xiàn)代宇宙學(xué)和天體物理學(xué)上的一些最大問題集中在超大質(zhì)量黑洞上。眾所周知，這些怪物隱藏在大多數(shù)星系的核心中，包括我們自己的星系，我們知道它們可以擁有十億個(gè)太陽的質(zhì)量。試圖解釋我們現(xiàn)代宇宙中的超大質(zhì)量黑洞如何消耗足夠的物質(zhì)來變得如此之大是很困難的，但是發(fā)現(xiàn)一個(gè)8億太陽質(zhì)量的怪物在大爆炸之后只存在6.9億年是一個(gè)令人頭疼的問題。這個(gè)嬰兒黑洞怎么這么快變大？

黑洞吸積背后的機(jī)制知之甚少，但研究人員認(rèn)為，這個(gè)例子可能只是一個(gè)具有一個(gè)極其活躍的“早期大器（early bloomer）”，，只能在大橢圓星系中定居的“常規(guī)”超大質(zhì)量黑洞。

范在一份聲明中說，“如果它位于比宇宙更密集的部分，它可以在生命中獲得更早的開始并且更快地增長(zhǎng)，”

“這一發(fā)現(xiàn)表明，在早期宇宙中顯然存在一個(gè)制造這種怪物的過程，”加入國際研究的卡內(nèi)基科學(xué)研究所的天文學(xué)家Eduardo Ba?ados補(bǔ)充道。 “那個(gè)過程是什么？好吧，這會(huì)讓理論家們非常忙碌！”

這張圖片顯示的是具有環(huán)形電離環(huán)物質(zhì)的非旋轉(zhuǎn)黑洞外觀，這樣的模型可以作為人馬座A*的標(biāo)準(zhǔn)模型化來使用。這種不對(duì)稱性是由于多普勒效應(yīng)造成的，多普勒效應(yīng)是由于黑洞非常強(qiáng)的引力離心平衡所需的巨大軌道速度造成的。

文末“彩蛋”

現(xiàn)在這就很有趣了。因?yàn)橛钪娴哪挲g是138億年，所以6.9億年只不過是宇宙年齡的百分之五。

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